一种电动列车车辆牵引系统离线测试系统及方法

技术领域

本发明涉及电动列车车辆牵引系统离线测试领域，具体地，涉及一种电动列车车辆牵引系统离线测试系统及方法。

背景技术

电动列车车辆是城市轨道交通的重要组成部分，其安全稳定运行至关重要。为了保障车辆在整部列车的30年生命周期内安全稳定运行，行业标准规定，列车运行每5年实施一次架修，每10年实施一次大修。

电动列车车辆牵引系统即列车动力系统，作为电动列车的心脏，是架大修过程中，重点维护对象之一。为了提高系统的稳定性，在大修实施过程中，牵引系统内很多关键部件，都必须更换。大修后，为了保证牵引系统整体功能及性能的正常，需要对牵引系统整体做离线测试。

专利文献为CN206609923U的实用新型专利公开了一种地铁列车牵引逆变器高压带负载测试平台，涉及轨道交通牵引系统领域，能够通过试验可以判断新出厂逆变模块功能的完整性，也可以用于发现使用中逆变模块的故障信息，本实用新型包括：DC1500V静调电源柜、高压电源柜、滤波设备、牵引逆变模组、负载、主逆变器测试控制台，其特征在于，所述DC1500V静调电源柜连接所述高压电源柜，所述高压电源柜连接滤波设备，所述滤波设备连接所述牵引逆变模组，所述牵引逆变模组连接三相负载，本实用新型适用于用于地铁列车牵引逆变器高压(1500V DC)带负载试验。但是上述方案无法实现离线测试。

发明内容

目前牵引系统的测试主要采用在线方式，即牵引系统回装到列车上，利用系统原控制器进行测试。若大修作业后的系统，存在故障测试未通过，需要将牵引箱体落箱，返回大修车间重新作业。原控制器的测试功能，用户使用受限，无法根据需要增加或修改测试功能，特点情况下无法满足测试需要。

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电动列车车辆牵引系统离线测试系统，包括电源管理模块、FPGA模块、DSP芯片、处理器模块、模拟量采集处理电路、数字IO电路、IGBT驱动电路、电机转速检测电路，其中：

处理器模块分别与DSP芯片、FPGA模块通过SPI交互，用于数据交互；

DSP芯片用于实现控制算法运算，与FPGA模块数据交互；

模拟量采集处理电路采集模拟量数据并发送至DSP芯片和FPGA模块；

FPGA模块分别与数字IO电路、IGBT驱动电路、电机转速检测电路通信连接；

电源管理模块用于提供电能。

优选地，所述处理器模块包括ARMCortex-A8芯片。

优选地，所电源管理模块包括控制器内部线路所需电源±24V、±15V、5V、3.3V，系统所需参考电源±2.5V、±5V、+10V，电源监测线路、控制器启动电路以及保护线路。

优选地，所述FPGA模块包括FPGA芯片、EPCS串行FLASH芯片和SRAM芯片，其中：

FPGA芯片包括NIOS-II软核处理器、锁相环倍频器、SDRAM读写控制器、EPCS串行FLASH芯片控制接口、数字逻辑控制接口和SPI接口；

SDRAM芯片作为FPGA内嵌处理器的内存；

EPCS串行FLASH芯片作为FPGA内嵌处理器程序存储器，以及引导程序下载和加载的EPCS控制器。

优选地，所述模拟量采集处理电路包括模拟量信号处理电路、AD采样芯片、压频转换电路、DA芯片以及比较电路，其中：

模拟量信号处理电路通过运算放大器实现；

AD采样芯片实现模拟量信号的采集，采集值参与到DSP芯片的控制运算；

压频转换电路实现模拟量信号到数字频率信号的转换；

DA芯片实现阈值的动态设定；

比较电路实现模拟量实时值与阈值的比较。

优选地，所述数字IO电路包括输入电路和输出电路，其中：

输出电路由比较器和驱动电路组成，实现对牵引系统能继电器的输出控制；

输入电路由分压电路和缓冲器组成，实现继电器状态反馈功能。

优选地，所述IGBT驱动电路包括缓冲器、驱动电路以及光纤发送器，其中：缓冲器接入驱动电路的输入端，驱动电路的输出端电连接光纤发送器。

优选地，电机转速检测电路包括传感器电源输出和脉冲检测电路。

本发明还提供一种电动列车车辆牵引系统离线测试方法，包括如下步骤：

登陆步骤：登录控制器控制页面；

状态自检步骤：对牵引系统110V控制电源、控制器内部电源、FPGA复位状态和DSP复位状态进行检测；

预充电接触器功能测试步骤：通过数字量信号输出端，控制预充电接触器吸合；通过数字量信号输入端，读取预充电接触器吸合状态；通过模拟量信号输入端，读取1500V主线线路电压；当预充电电容完成后，断开预充电接触器；

线路接触器功能测试步骤：通过数字量信号输出端，控制线路接触器吸合；通过数字量信号输入端，读取线路接触器吸合状态；

牵引系统放电回路功能测试步骤：通过IGBT控制输出电路，触发放电回路2路IGBT导通，同时，通过模拟量信号输入端，检测主线线路电流，从而分析判断放电回路的功能及性能；

高速断路器功能测试步骤：通过数字量信号输出端，控制高速断路器吸合；通过数字量信号输入端，读取高速断路器吸合状态；

风扇继电器功能测试步骤：通过数字量信号输出端，控制风扇继电器吸合；通过数字量信号输入端，读取风扇继电器吸合状态；

三相电机控制回路功能及性能测试步骤：对牵引系统负载电机进行动态控制，通过实时监测三相相电流、电机转速和主线供电电流，实现对电机控制回路功能及性能的判断；

报告生成步骤：根据以上测试过程及测试结果，生成测试报告。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明可实现离线测试，节省了箱体二次拆装的人力、物力和时间。

2、本发明可以根据需要，灵活制定测试策略。

3、本发明可实现系统内所有部件的测试，测试更全面、细致。

4、本发明通用性更好，通过修改接口，可实现对不同车型牵引系统的测试。

5、本发明在系统离线的情况下，可对牵引系统内部件和整体，实现功能及性能测试。同时，也可以根据具体需要，增加及修改测试策略。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为电动列车车辆牵引系统离线测试系统系统硬件结构示意图。

图2为电动列车车辆牵引系统离线测试方法的步骤流程图。

图3为电动列车车辆牵引系统离线测试系统的测试结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图3所示，本发明提供了一种电动列车车辆牵引系统离线测试系统及方法，所述系统硬件包括：控制器电源电路、FPGA逻辑控制电路、DSP控制芯片、基于ARMCortex-A8内核的处理器模块、模拟量信号处理、模拟量信号采样及阈值比较电路、数字量信号输入输出电路、8路IGBT控制电路、牵引电机转速检测电路。

基于ARMCortex-A8内核的处理器模块，其实现终端与牵引控制系统的数据交互功能。该模块内部植入Linux操作系统，软件控制通过WEB服务器的前后端模式实现。通过Internet网络通信方式与终端连接，利用SPI接口与FPGA数据交互。该模块硬件电路包括：处理器芯片、处理器外扩SRAM、处理器外扩FLASH、SD卡、Internet接口和SPI接口。

FPGA逻辑控制部分，实现系统数字量IO及逻辑控制。其采用SOPC技术，内部嵌有NIOS-II软核处理器、锁相环倍频器、SDRAM读写控制器、EPCS串行FLASH芯片控制接口、数字逻辑控制接口和SPI接口。外扩SDRAM芯片作为FPGA内嵌处理器的内存；EPCS串行FLASH芯片作为FPGA内嵌处理器程序存储器，以及引导程序下载和加载的EPCS控制器。作为SPI从控制器，与ARMCortex-A8内核的处理器模块数据交互；作为SPI主控制器，与DSP芯片数据交互。本发明中，数字量信号输入输出、8路IGBT控制和牵引电机转速检测的功能实现，均由FPGA逻辑控制部分完成。

DSP控制芯片，主要实现牵引电机控制算法运算功能。DSP芯片通过并行总线，控制AD芯片，该AD芯片选用12位4路差分同步采样转换器。DSP芯片利用其对牵引系统三相电流、主线电流和主线电压，进行实时采集。同时，DSP芯片作为SPI从控制器，与FPGA芯片实现数据交互。

控制器电源电路，包括控制器内部线路所需电源±24V、±15V、5V和3.3V，系统所需参考电源±2.5V、±5V和+10V，电源监测线路、控制器启动电路和保护线路，具体实现如下：

控制器主电源，由牵引系统内110V控制电源提供。控制器内部线路所需的电源±24V、±15V和5V，由符合EN50121铁路标准的电源模块提供，电源模块的输入电压范围55-176VDC，输出功率20W。+5V输入LM3940IS三端线性稳压芯片，生成控制器内所需的3.3V电源。

利用参考电源生成芯片REF195GS，+15V输入，生成控制器所需的+5V参考电源。+5V参考电源，经过两个1％精度的10K电阻，分压得到2.5V，2.5V分压输入运算放大器“+”端，跟随输出，在运算放大器的输出端，生成控制器内所需的+2.5V参考电源。+5V参考电源，经过1％精度的20K电阻，输入到运算放大器“-”端；运算放大器“-”端，经过1％精度的10K电阻，与输出端相连接；运算放大器的“+”端，经过1％精度的10K电阻，连接地；这样，在运算放大器的输出端，生成控制器内所需的-2.5V参考电源。+5V参考电源，经过1％精度的20K电阻，输入到运算放大器“-”端；运算放大器“-”端，经过1％精度的20K电阻，与输出端相连接；运算放大器的“+”端，经过1％精度的10K电阻，连接地；运算放大器的输出端，经过三极管放大，生成控制器内所需的-5V参考电源。+5V参考电源，直接连接运算放大器的“+”端；运算放大器“-”端，经过1％精度的20K电阻连接地，同时，经过1％精度的20K电阻连接运算放大器的输出端，运算放大器的输出端，经过三极管放大，生成控制器内所需的+10V参考电源。

-15V电源监测，-15V经过10K和2.2K电阻分压后，接入比较器“-”端；比较器“+”端，接入-2.5V参考电源；-15V电源正常时，比较器输出高电平；当-15V电源大于-13.8V时，比较输出低电平。-24V电源监测，-24V经过40K和5.1K电阻分压后，接入比较器“-”端；比较器“+”端，接入-2.5V参考电源；-24V电源正常时，比较器输出高电平；当-24V电源大于-22.1V时，比较输出低电平。3.3V电源监测，3.3V经过0.524K和2.2K电阻分压后，接入比较器“+”端；比较器“-”端，接入+2.5V参考电源；3.3V电源正常时，比较器输出高电平；当3.3V电源小于3.1V时，比较输出低电平。5V电源监测，5V经过1.894K和2.2K电阻分压后，接入比较器“+”端；比较器“-”端，接入+2.5V参考电源；5V电源正常时，比较器输出高电平；当5V电源小于4.65V时，比较输出低电平。+15V电源监测，+15V经过9.78K和2.2K电阻分压后，接入比较器“+”端；比较器“-”端，接入+2.5V参考电源；+15V电源正常时，比较器输出高电平；当+15V电源小于13.61V时，比较输出低电平。+24V电源监测，+24V经过40K和5.1K电阻分压后，接入比较器“+”端；比较器“-”端，接入+2.5V参考电源；+24V电源正常时，比较器输出高电平；当+24V电源小于22.11V时，比较输出低电平。

电源保护线路。所有电源监测线路中的比较器输出端，均“线与”连接。

被监测电源在正常范围内时，线与线路为高电平；只要有一路被监测电源不正常，线与线路为低。线与线路为低时，触发DSP芯片和FPGA芯片产生复位，封锁8路IGBT驱动发送器的输出，同时，封锁牵引系统内所有继电器和接触器的控制输出端。

模拟量信号处理、采样及阈值比较电路，包括牵引系统内传感器输出模拟量信号的处理，AD采样芯片，压频转换电路、DA芯片和比较电路；其中，模拟量信号处理通过运算放大器实现；12位并行AD采样芯片，实现模拟量信号的采集，采集值参与到DSP控制运算；压频转换电路，由选通芯片和压频转换芯片组成，实现模拟量信号到数字频率信号的转换；DA芯片，实现阈值的动态设定；通过比较器实现模拟量实时值与阈值的比较。具体实现如下：

模拟量信号处理。牵引系统内的电流信号和电压信号，经过传感器差分输入到本发明控制器内。传感器输出信号，根据不同的比例，经过不同阻值的电阻，转换成电压信号；电压信号的一端，经过3.9K电阻，引入到运算放大器的“-”端；电压信号的另一端，经过3.9K和20K电阻分压，接入到运算放大器的“+”端；运算放大器“-”端，经过20K电阻和100pF电容的并联，连接输出端，在输出端得到经过比例运算和低通滤波处理的模拟量信号。牵引电机的三相电流检测，取其中的两相电流，利用运算放大器相加处理，得到第三相电流值。

模拟量信号的采集。采用12位4路差分同步采样的AD芯片，对处理后的模拟量信号，按照50K的采样频率进行采样，并通过并行数据总线，与DSP芯片数据交互。

模拟量信号阈值比较。阈值绝对值的设定，采用8路并行控制方式的DA芯片实现，FPGA芯片根据算法需要，对DA芯片实时控制。阈值绝对值经过20K电阻，接入运算放大器“-”端；同时，运算放大器“-”端，经过20K电阻，与运算放大器输出端相连接；运算放大器“+”端，连接地；这样，在运算放大器的输出端，得到负阈值。负阈值接入比较器1的“-”端，阈值绝对值接入比较器2的“+”端；被比较的模拟量信号，连接比较器1的“+”端和比较器2的“-”端；比较器1和2输出端相连，同时，连接到FPGA芯片；当模拟量信号在阈值范围内时，比较器输出高电平，若超出范围，比较器输出低电平。

数字量信号输入输出电路，与FPGA芯片相连接，输出电路由比较器和驱动电路组成，实现对牵引系统能继电器的输出控制；输入电路由分压电路和缓冲器组成，实现继电器状态反馈功能。控制牵引系统内的继电器和断路器，同时，检测继电器和断路器的工作状态，其具体实现如下：

数字量信号输出。FPGA输出数字量控制信号到比较器的“-”端，比较器“+”端连接+2.5V参考电压，比较器输出端经过推挽放大电路，驱动N沟道MOS管的G端，MOS管的S端接地，MOS管的D端输出到牵引系统内被控制对象。当FPGA输出高电平时，被控继电器吸合；当FPGA输出低电平时，被控继电器断开。

数字量信号输入。被控对象的状态反馈线，经过2.7K电阻和680欧电阻分压后，经过反向器进入到FPGA芯片。为了防止状态信号线超压，影响反向器芯片，在680欧电阻上，并联了10V的稳压二极管。

8路IGBT控制电路包括缓冲器、驱动电路和光纤发送器。IGBT控制电路输出实现如下：

首先，FPGA控制信号输出选通数字缓冲器。之后，FPGA驱动IGBT信号经过缓冲器后，通过560欧姆和2.2K电阻分压，驱动N沟道MOS管的G端，MOS管的S端接地，MOS管的D端输出连接光纤发送器的控制端。当IGBT控制信号为高电平时，光纤发送器触发发送；当IGBT控制信号为低电平时，光纤发送器关断。电源保护信号通过三极管，与MOS管的G端相连接，当保护信号有效时，三极管导通，同时拉低MOS管的G端，起到封锁光纤发送的作用。

牵引电机转速检测电路包括传感器电源输出和脉冲检测电路。

如图2所示，本发明的方法实施例如下：

在远端，通过IE浏览器，利用Internet网络通信方式，登录控制器控制页面。

步骤一：本发明控制器进行状态自检，主要包括：牵引系统110V控制电源检测、控制器内部电源检测、FPGA复位状态检测和DSP复位状态检测。检测结果在控制器状态页面显示；

步骤二：线路接触器功能测试。完成上一步测试后，解锁此步骤。在测试页面点击该功能测试，本发明控制器通过数字量信号输出端，控制线路接触器吸合；通过数字量信号输入端，读取线路接触器吸合状态。在测试页面，实时显示该测试过程及测试状态；测试界面需要在远端通过登录系统控制器的WEB服务器在ARMCortex-A8内核的处理器模块。

步骤三：预充电接触器功能测试。在测试页面点击该功能测试，本发明控制器通过数字量信号输出端，控制预充电接触器吸合；通过数字量信号输入端，读取预充电接触器吸合状态；通过模拟量信号输入端，读取1500V主线线路电压；当预充电电容完成后，断开预充电接触器。在测试页面，实时显示该测试过程及测试状态。测试界面，需要在远端，通过登录系统控制器的WEB服务器，WEB服务器在ARMCortex-A8内核的处理器模块。

步骤三：线路接触器功能测试。完成上一步测试后，解锁此步骤。在测试页面点击该功能测试，本发明控制器通过数字量信号输出端，控制线路接触器吸合；通过数字量信号输入端，读取线路接触器吸合状态。在测试页面，实时显示该测试过程及测试状态；

步骤四：牵引系统放电回路功能测试。完成前两步测试后，解锁此步骤。在测试页面点击该功能测试，本发明控制器通过IGBT控制输出电路，触发放电回路2路IGBT导通。同时，通过模拟量信号输入端，检测主线线路电流，从而分析判断放电回路的功能及性能；在测试页面，实时显示该测试过程及测试状态；

步骤五：风扇继电器功能测试。在测试页面点击该功能测试，本发明控制器通过数字量信号输出端，控制风扇继电器吸合；通过数字量信号输入端，读取风扇继电器吸合状态。在测试页面，实时显示该测试过程及测试状态；

步骤六：三相电机控制回路功能及性能测试。完成以上测试后，解锁此步骤。本发明控制器，对牵引系统负载电机进行动态控制，通过实时监测三相相电流、电机转速和主线供电电流，实现对电机控制回路功能及性能的判断。在测试页面，实时显示该测试过程及测试状态；

步骤七：根据以上测试过程及测试结果，生成测试报告。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。